伞翼无人机精确建模与控制

前缘切口以及后缘下偏是影响伞衣气动力计算的关键因素。为实现伞翼无人机（UAV）的精确控制，从提高翼伞系统动力学模型的精度入手，在升力线理论的基础上，基于计算流体动力学方法，综合考虑前缘切口以及后缘下偏的影响，计算了不同切口尺寸模型的升力、阻力系数。利用最小二乘法辨识了升力、阻力系数与迎角、切口尺寸以及下偏量的关系，实现了翼伞气动力的精确计算，改进了伞翼无人机的六自由度动力学模型。对改进的动力学模型进行轨迹跟踪控制的仿真，通过与空投试验数据的对比，验证了改进翼伞系统动力学模型方法的准确性，对于伞翼无人机的仿真和控制器设计具有重要意义。     

冲压翼伞流场与气动操纵特性的数值模拟

采用有限体积法求解shear stress transport(SST) k-ω二方程湍流模型下的Navier-Stokes(N-S)控制方程,对冲压翼伞的气动特性进行数值模拟,分析翼伞的流场机理和气动操纵特性.模拟得到的升阻特性与试验数据较吻合,在此基础上分析前缘切口、弧形下反以及稳定幅对升阻特性的影响.通过软件Fluent实现了非定常流动模拟,研究了翼伞的非定常升力特性,其升力系数的脉动受脱体涡的非定常过程影响,当迎角为16°时,翼伞升力变化周期为0.36s.最后分析了翼伞稳定滑翔阶段的纵向静稳定性,相比于单边后缘下拉方式,通过闭合翼伞一侧进气口实现航向操纵更稳定有效.      

冲压式翼伞气动性能研究

随着计算流体动力学(CFD)的发展、空投系统以及航天器回收过程对定点回收精度要求的提高,精确计算冲压式翼伞的气动参数必不可少。首先,采用有限体积元法求解N-S湍流模型的κ-ε控制方程,对NASA兰利研究中心采用的三维翼伞进行了气动性能分析,验证了方法的可行性;然后将该方法应用于某型翼伞中,分析了翼伞周围的绕流特性,得到了不同迎角来流条件以及伞衣后缘不同程度下偏的气动力数据,为翼伞系统的数学建模提供了准确的参数,从而克服了传统经验公式获得气动参数不准确的缺点。     

冲压翼伞充气过程的数值模拟

基于冲压翼伞的MSD模型,采用流场、结构松耦合方法对冲压翼伞的充气过程开展数值模拟研究。通过将冲压翼伞简化为二维的伞衣剖面,分析单个伞衣剖面受到的气动力、重力和应力,并离散作用于由弹簧阻尼连接的质点上,建立了伞衣多节点模型,编写了多节点模型动力学方程组解算代码。结合流场计算得到的伞衣充气过程表面的气动力,对充气过程进行了动态仿真,初步分析了翼伞充气过程伞衣外形、流场和气动特性变化特点。     

基于多体动力学的大型翼伞系统飞行仿真分析

飞行动力学分析是大型翼伞系统设计及归航方案研究的重要基础。为此,提出了基于多体系统动力学理论的大型翼伞系统飞行动力学仿真分析方法,给出了相应的多体系统模型,建立了系统的运动学约束方程组和飞行动力学变分方程组。通过引入拉格朗日乘子,获得了大型翼伞系统封闭的飞行动力学方程组,对某大型翼伞系统的飞行动力学过程进行了仿真计算。结果表明,与小型翼伞系统相比,大型翼伞系统的稳定滑翔速度大、抗外界干扰能力强、转弯半径大、转弯周期长、操纵响应慢。此外,风速和风向对大型翼伞系统的飞行轨迹和着陆点的位置有明显影响。对于同一具翼伞,回收物重量和初始高度是影响留空时间的主要因素。所提方法可以有效、准确地应用于大型翼伞系统的飞行动力学仿真分析。     

翼伞空投系统的动力学建模与飞行控制仿真

针对翼伞系统设计及翼伞归航方案的研究需求,提出翼伞系统动力学建模与仿真分析方法,利用动力学仿真软件ADAMS对翼伞空投系统飞行动力学过程进行了计算.针对翼伞系统精确空投任务,利用分段归航方法规划翼伞系统飞行轨迹并搭建PID控制系统对翼伞系统的飞行轨迹进行控制.结果表明:翼伞系统受到单侧下偏操纵时,影响的是翼伞系统的转弯性能,翼伞的飞行轨迹为螺旋形曲线,并且翼伞系统在下降过程中,其转弯半径保持不变,分段归航方法简单,易于实现,满足翼伞归航对落点精度的要求.     

直升机桨叶连续后缘襟翼设计与气动影响分析

在直升机旋翼减振应用中,连续后缘襟翼和常规分离式襟翼相比具有重量轻、结构紧凑、气流平稳等优点。选用压电纤维复合材料作为驱动材料,基于NACA23012翼型设计带有连续变形后缘襟翼的桨叶段,对襟翼及其驱动结构进行选材设计分析;采用流固耦合方法分析连续后缘襟翼对剖面翼型气动特性的影响。结果表明:连续后缘襟翼在直升机桨叶工作迎角、马赫数范围内可实现有效偏转,显著改变翼剖面气动升力和力矩,证明了连续后缘襟翼在旋翼减振控制中的潜在应用价值。     

一种前后缘连续变弯度翼型气动特性分析

提出了一种基于厚度不变的翼型前后缘连续偏转变形规律,并以NACA0015翼型为例,实现了翼型变弯度的参数化。以柔性伸缩蒙皮支撑结构和机械结构实现了可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型,验证了变形规律。以前后缘偏转角度为参数,计算并分析了各个变形状态下翼型扰流流场和气动特性,讨论了变形参数对气动特性的影响,研究了气动特性的产生机理。研究结果表明:在大迎角下,前缘偏转角对翼型失速有一定的抑制作用;在中小迎角范围内,翼型升阻比随着后缘偏转角的增大而增大,且不论迎角如何变化,总可以通过前后缘偏转来获得较高的升阻比。     

柔性扑翼全机气动结构耦合特性及稳定性研究

由于微型扑翼飞行器具有体积小、重量轻等特点,在飞行过程中会产生明显的柔性变形,因此在对扑翼气动特性进行数值模拟时,有必要考虑柔性变形的影响。基于结构动力学理论,发展了一种适用于扑翼全机气动结构耦合特性的数值模拟方法与一种适用于扑翼的结构动力学求解方法。方法利用哈密顿原理,对动能和应变能进行变分,进而得到扑翼动力学方程,采用结构有限元方法对运动方程进行离散并求解;采用基于嵌套网格的CFD求解器对微型扑翼全机非定常绕流进行数值模拟。采用CFD/CSD耦合求解器对微型扑翼飞行器全机气动结构耦合特性进行数值模拟,分析了结构变形对柔性扑翼气动特性的影响,并分别对扑动过程中刚性扑翼和柔性扑翼的压心变化范围进行研究,分析了结构变形对柔性扑翼稳定性的影响。     

翼梢小翼后缘舵面偏转对机翼气动特性影响研究

以大型客机某方案机翼为基本翼,基于N-S方程数值模拟的方法,研究融合式翼梢小翼后缘操纵舵面偏转对机翼空气动力特性影响。研究发现,翼梢小翼舵面偏使得机翼气动特性发生显著变化。一方面,偏转舵面导致了机翼最大升阻比的降低,然而它可以优化不同飞行阶段升阻比。其中,舵面外偏,机翼在阻力增加不大的条件下,升力明显增大,有利于提高起飞、爬升性能;舵面不偏条件下升阻比最大,有利于提高巡航效率;舵面内偏,机翼阻力明显增大,有利于提高飞机着陆性能。另一方面,舵面偏转可以控制机翼翼梢涡的发展,有助于耗散机翼尾涡及激发翼梢涡自身的不稳定性而加速耗散。     

高空飞艇的流固耦合数值研究

发展了一套用于研究高空飞艇在来流作用下的流固耦合数值方法.利用经过验证的自编制的有限元程序来求解飞艇的非线性大变形,利用商业软件FLUENT求解飞艇的外流场,通过非动态交替的方法实现飞艇的流固耦合计算.结果表明:飞艇的柔性变形改变了飞艇周围的流场结构,飞艇表面气动载荷分布发生了较大的改变;由于飞艇表面气动载荷的作用,导致了囊体内外压差的变化,进而导致囊体内的应力随之发生了较大的变化.     

可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型气动特性分析

以变弯度翼型为研究对象,计算了其六种外形的绕流流场,分析了不同的连续光滑变形翼型与传统偏转翼型的气动特性,讨论了变形参数对气动特性的影响,研究了气动特性的产生机理;与此同时,以形状记忆聚合物柔性蒙皮和机械结构实现了可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型,并在风洞实验中测试了其气动特性。计算和实验结果表明:可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型能改进传统主翼-简单襟翼翼型的气动特性和流场分离特性;可变形段范围、转轴位置、后缘偏转角度、后缘高度等变形参数对气动特性具有显著影响。     

高超声速稀薄流单层翼伞气动性能及再入轨迹分析

针对航天器返回过程中严重的气动加热和过载问题,提出了一种适用于整个返回过程的单层翼伞技术,从而实现温和的再入过程。采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,对单层翼伞周围流场进行三维定常模拟,讨论了其作为低翼载荷升力体气动减速器,在再入初始阶段高超声速稀薄流条件下的基本气动性能和再入轨迹。研究结果表明:随着前缘后掠角的增大,翼伞气动性能明显下降,但抗失速能力有所提高;升阻比随着马赫数和飞行高度的增加而下降,较之马赫数,升阻比对飞行高度更为敏感;飞行动压和峰值热流随着翼载荷的增大而增加,而过载随着翼载荷的增大而减小。     

大型飞机襟缝翼自动保护控制律设计与仿真

基于适航标准对飞机起降阶段飞行速度的要求,通过建立飞行速度和襟缝翼偏角关系,设计了大型飞机襟缝翼自动保护控制律,并进行了仿真验证。仿真结果表明,该方法能控制襟翼在飞行员误操纵的情况下自动偏转至合理偏角,避免飞机出现失速和超速的危险状态,并随着飞行速度的变化,使襟翼和缝翼的偏转实现最佳组合,保证获得最大升阻比。     

基于 LES 方法的增升装置气动噪声特性分析

在气动噪声数值计算中,流场的求解精度对涡流扰动的细节计算以及声学的求解结果有着重要的影响。本文应用 LES 方法对增升装置的流场进行数值模拟,采用可穿透积分面的 Ffcows Wil1iams-Hawkings(FW-H)积分方法进行远场噪声计算。采用圆柱绕流算例对本文的数值计算方法进行了验证,验证结果表明：本文所使用的LES 方法能准确地捕捉到涡脱落、流动分离等非定常流动现象,可为远场气动噪声的计算提供精确的近场流动的数值解;基于 FW-H 的声类比方法能够精确高效求解远场气动噪声。在此基础上,对增升装置噪声产生的流动特性、远场特性、风速影响等进行了数值模拟研究。结果表明：缝翼产生气动噪声的主要原因是,流动在缝翼和主翼之间的凹槽形成的不稳定波以及缝翼钝后缘的小脱落涡;襟翼产生气动噪声的主要原因是,襟翼附近由于流动分离产生的高频的小尺度不稳定涡和低频的大尺度涡。     

柔性扑翼气动结构耦合特性数值研究

微型扑翼体积小、重量轻,其柔性变形对气动特性有显著的影响。通过求解雷诺平均N-S方程(ReynoldsAveraged Navier-Stokes,RANS)和结构动力学方程,对微型柔性扑翼飞行器的气动结构耦合特性进行了数值模拟研究。针对微型扑翼的大幅运动,发展了适用于扑翼的气动结构耦合数值计算方法,研究了微型扑翼的气动结构耦合特性。通过求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程得到微型扑翼的非定常气动特性;利用哈密顿原理(Hamilton Principle)推导了扑翼的结构动力学方程,采用结构有限元方法对该动力学方程进行离散并求解,得到扑翼的动态结构特性;采用松耦合方法进行迭代。计算结果与风洞实验结果相比吻合良好,验证了所发展方法的有效性。在此基础上研究了惯性力和关键运动参数对柔性扑翼气动及结构特性的影响规律,有助于比较详细、全面地了解微型扑翼的气动机理,为柔性扑翼的设计提供了参考依据。     

翼伞平面形状对翼伞气动性能的影响

对带气室的展弦比为3的不同平面形状翼伞模型的流场进行了三维定常数值模拟,详细考察了平面形状对翼伞气动性能的影响.运用有限体积法对三维坐标系下不可压雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程进行了直接求解,采用剪切应力输运(SST)k-ω二方程湍流模型进行湍流模拟.数值模拟得出的原始翼伞的气动性能参数与试验数据在...     

大展弦比机翼流固耦合迭代求解模拟

基于某型变掠翼气动布局概念构型,结合适应于大展弦比机翼的复合材料结构设计,构建基于数据通讯的流动数值方法与结构有限元分析相互迭代的流固耦合分析平台,讨论布局在不同飞行条件下的机翼流固特性,解决大尺度结构气动弹性的耦合作用方式及准确计算的方法问题.算例结果表明流固耦合迭代求解计算方法高效、合理,较为准确地获得了大尺度结构变形后的布局气动特性改变特征,完善了特殊布局的气动特性仿真方法.     

基于多控制面的二元机翼扭转变形抑制研究

针对前掠机翼的扭转发散,以加装前、后缘控制面且刚心靠后的二元机翼为模型,基于CFD/CSD松耦合静气弹数值计算方法,提出了一种基于多控制面的二元机翼扭转变形抑制方法。计算结果表明,前缘控制面单独上偏时,气动特性较差,扭转变形特性较好;后缘控制面单独下偏时,气动特性较好,扭转变形特性较差;前、后缘控制面联合偏转时,融合了两者单独偏转时各自的优势,在尽量减少气动性能损失的基础上降低了扭转变形峰值。该研究可为多控制面在前掠翼扭转发散主动抑制中的应用提供参考。     

基于求解N-S方程的新型涡扇支线飞机着陆构型低速气动分析

新型涡扇支线飞机气动设计中,采用规模适当的网格,数值求解N-S方程,进行了前缘缝翼、后缘襟翼全开的全机着陆构型低速气动分析.经低速风洞模型气动力试验验证,所建立的CFD分析手段可靠、有效.数值流场分析为有效改进低速气动设计指明了方向.